1、计算机辅助设计技术,选用教材,童秉枢(第2版)等. 机械CAD技术基础.北京：清华大学出版社. 2003,课程介绍,参考书目,蔡汉明, 陈清奎. 机械CAD/CAM.北京：机械工业出版社.2003 王炽鸿，欧宗瑛.计算机辅助设计.北京：机械工业出版社. 1994 孙家广等.计算机辅助设计技术基础.北京：清华大学出版社. 1990,先修课程,课程介绍,实验安排,主要目的：加深对课程的理解，增强实际应用计算机的能力 安排3次实验（独立完成） 实验成绩占最终评分的15%,计算机文化基础C语言程序设计,考核方式及成绩构成,考核方式：闭卷笔试 成绩构成：实验15，平时（作业）15，期终70,课程介绍,主
2、要内容 第一章 CAD技术概论第二章 CAD系统第三章 工程手册的数据处理 第四章 机械CAD中常用的数据结构 第五章 信息存储与管理 第六章 图形变换第七章 图形技术基础第八章 二维几何建模方法,第1章 CAD技术概述,1.0 引言 1.1 CAD技术应用与发展概况 1.2 CAD系统的软硬件技术基础,1.0 引言从机械设计谈起 1.0.1 机械设计概念根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的工作原理、运动方式、力和能量的传递、结构形状以及所用材料等事项，并转换为具体的描述（图纸，文件等），以此作为制造的基础。机械设计是产品设计、制造、装配、销售和使用整个生命周期中的第一个环节，也是
3、最重要的环节。,设计在整个生产周期中所占的比重,设计开发,制造,时间 百分比（%),开发设计工作的重要性,开发设计,生产准备与,加工,原材料与外,购件的采购,管理和销售,0,10,20,30,40,50,60,70,开发设计,生产准备与,加工,原材料与外,购件的采购,管理和销售,对成本的影响,所需的工时成本,1.0.2 机械设计过程概念设计初步设计详细设计,机械产品在经历了制造加工、样机测试、批量生产以及销售使用后，将返回大量信息，要依据这些信息再对产品进行不断修改。机械设计是一个“设计评价再设计”的反复迭代、不断优化的过程。在人工设计情况下，设计周期很长。1.0.3 CAD产生的背景实现某种
4、程度的自动化；缩短设计周期，提高产品竞争力降低设计成本，提高设计质量。,1.1 CAD技术应用与发展概况 1.1.1 计算机辅助设计(CAD)的概念CAD是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用多学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理技术。它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机结合起来，从而达到缩短工程产品设计周期、提高设计质量的目的。计算机辅助设计是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析和文档制作等设计活动。简单地讲，CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计目的。性质：它是一种新的设计方法，也是一
5、门多学科综合应用的新技术。,CAD概念的实质在于：（1）人机各尽所长；（2）人机交互结合；（3）最佳设计效率。CAD技术的主要作用如下:（1）提高设计质量和设计效率。（2）能够充分发挥设计人员创造性。（3）缩短产品的设计周期。,CAD过程： 任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设 计活动组成；活动间既有串行的设计活动，也有并行的设计活动；设计过程中的大多数活动可以用CAD实现，但并不绝对；将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程。,1.1.2 CAD技术的重要应用CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一。 CA
6、D技术曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工行业，无论是机械、电子、轻纺行业还是文体、影视广告行业等都离不开CAD技术。CAD技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。,在制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机械设计CAD等。仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界”、“玩具总动员”、“侏罗记公园”等在轻工行业的应用：如模具CAD和服装CAD等。在医学中的应用： 计算机辅助手术规划和手术模拟。在电子电路中的应用：
7、超大规模集成电路的设计制造。,我国科学技术部在CAD应用工程2000年规划纲要中指出：“到2000年，在国民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广CAD技术，实现甩掉图板（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国CAD市场，扶持发展以CAD为突破口的我国自主创新的软件产业，建立起我国的CAD产业”。到2000年，我国机械制造业应用CAD技术的普及率和覆盖率均达70%以上；工程设计行业CAD技术的普及率和覆盖率均达100%。,CAD技术在我国工程和产品设计的一些应用实例： （1） 沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了三峡工程
8、的招标项目。 （2）泸东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期缩短1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍。 （3）西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改。 （4）寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米。,1.1.3 机械CAD技术应用,机械产品开发设计可大致分成概念设计、初步设计、详细设计和文档设计四个阶段。,概念设计：根据市场需求确定新产品的功能，给出新产品的概念性分析模型或草图。初步设计：
9、对概念设计输出的结果进行方案分析比较，修正概念模型。,详细设计：这是产品的真正结构设计阶段。由概念模型和分析产生的数据对详细设计起着重要的指导作用，同时详细设计的结果也要进行必要的分析，并适时根据需要修改模型。目前的CAD系统大都提供详细设计手段。 文档设计：各设计阶段都根据不同的需求产生相应的文档，以便从产品市场需求分析到开发、制造及销售能够有机地组织起来。,1.1.3 机械CAD技术应用,计算机可以不同程度地参与这四个阶段的工作 。,CAD系统在设计中承担的主要工作有数据处理、工程分析、图形处理与动画仿真等,1. 数据处理在设计过程中会产生大量信息，这些信息包括数字、字符、符号和图形等，随
10、着设计过程的延伸，计算机会对它们进行存储、转换、传递等处理。,2. 工程分析工程分析包括设计参数计算；面积、体积、惯性矩等物理特性计算；强度、刚度、寿命等校核计算；应力场、变形、温度场等有限元分析；结构、参数的优化计算。,3. 图形处理包括二维绘图、三维实体造型、图像输入输出及识别等。 4. 动画仿真利用图形仿真方法模拟设计对象的动态工作过程。如模拟执行部件的运动轨迹；机器人动作仿真；装配过程仿真；加工过程仿真 。,?,提出问题,提问：有人说CAD就是计算机绘图 , 这种说法对吗？,x,CAD、计算机绘图、CG 三者的区别与联系,三者技术内涵区别计算机绘图：是使用图形软件和计算机硬件进行绘图及
11、其有关标注的一种方法和技术。它以摆脱繁重的手工绘图为主要的目的。,计算机图形学：是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用的设备上显示的原理、方法和技术的科学。,三者的联系计算机绘图是CG中涉及工程图形绘制的一个分支，它是一门工程技术。计算机绘图不是CAD技术的全部内涵，是CAD技术的基础之一。CG是一门独立的学科，它的有关图形处理的理论与方法构成了CAD技术的重要基础。,1.1.4 CAD技术应用实例图示,一些图形网站如http:/ 在各个领域的应用效果。,1.1.5 CAD技术发展历程 CAD技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、软件技术的发展而发展。 （1）准备和诞生时期（20世
12、纪5060年代）电子管计算机1950 MIT 能够显示简单图形的图形显示器1958 Calcomp 滚筒式绘图机20世纪50年代末 SAGE战术防空系统,（2） 蓬勃发展和进入应用的时期（ 20世纪60年代）1962，Ivan Sutherland 研究出了Sketchpad交互式图形系统。计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。计算机图形学的发展，如Coons曲面 。（3）广泛应用时期（ 20世纪70年代）集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。出现了以小型计算机为平台的CAD系统。图形设备相继推出并完善。图形软件和CAD应用支撑软件不断得到充实与提高。,（4）飞速发展时期（ 20世纪8
13、0年代）出现了大规模与超大规模集成电路，使微机进入市场。推出了以UNIX系统支撑的SUN工作站。图形软件更加成熟 。（5）日趋成熟的时期（ 20世纪90年代）出现基于PC平台的价廉物美的CAD系统。CAD系统的标准化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系统。集成化 。科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造。,20世纪50年代 计算机应用于机械制造20世纪60年代 CAD系统产生（sketch- pad系统） 20世纪70年代 CAD单元技术的发展和 应用（交钥匙系统）20世纪80年代 CAD/CAM/CAE的集成20世纪90年代 CAD 向着集
14、成化、网 络 化、 智能化、标准化发展,1.1.6 CAD软件技术的发展以机械行业为例，说明CAD软件技术的发展历程。20世纪60年代，CAD的主要技术特点是交互式二维绘图和三维线框模型。20世纪70年代，CAD的主要技术特征是自由曲线曲面生成算法和表面造型理论，代表软件CATIA。20世纪80年代，CAD的主要技术特征是实体造型理论和几何建模方法， 代表软件I-DEAS。20世纪90年代，CAD技术基础理论主要是以PTC的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和以SDRC的I-DEAS为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。,1.1.7 发展趋势微机化、集成化、智能化、
15、网络化、可视化、并行化、标准化 。,集成化数字化建模产品数据交换产品数据管理继续改进和开发CAX及DFx网络化 因特网的协同设计环境CAD应用服务智能化标准化,1.2 CAD系统的软硬件技术基础,什么是CAD系统？CAD系统是以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件为主体，应用软件为核心组成的面向工程设计问题的信息处理系统。CAD系统与一般计算机系统的差别：一般计算机系统：计算机+外围设备。CAD系统：人与计算机及外围设备协调运行的系统。其基本功能是交互性（对话功能）。,1.2.1 CAD系统结构与功能 1. CAD系统的结构可用分层体系结构进行描述。,硬件平台：网络，计算机，绘图机，打印机.,
16、操作系统：Windows 3.x/95/98/NT/2000/xp,UNIX,网络协议：TCP/IP,SPX/IPX,CAD工具软件：AutoCAD,Solidworks,Pro/E.,CAD工程应用软件.,硬件系统,系统软件,支撑软件,应用软件,CAD系统的体系结构,2.系统功能分析 （1）硬件应具备的基本功能：计算功能、存储功能、输入输出功能、交互功能 。（2）软件应具备的基本功能：就机械产品CAD系统来讲，应是：产品几何造型的功能（线框、曲面与实体造型）、2D和3D图形处理功能、有限元分析功能、优化设计过程、数据库管理功能等。,CAD 软件,CAD 专用软件,CAD 支撑软件,优化方法库
17、,图形支撑软件,数据库软件,有限元分析软件,3.CAD系统软件层次结构,机械CAD,服装CAD,（1）系统软件 主要用于计算机的管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、装入与运行。操作系统：Windows 95/98/NT/2000/xp、 UNIX、等。语言编译系统：Visual C/C+、 Visual Basic、AutoLisp等。 （2）支撑软件 是为满足CAD/CAM用户共同需要而开发的通用软件。数据库管理系统：Foxpro/ORACLE/INFORMIX/Sybase、SQL SERVER等。计算机分析软件：ANSYS/NASTRAN/ADAMS等。图形支撑软件：可分为图形处理语言
18、及交互式绘图软件。,（3）应用软件用户利用计算机所提供的各种系统软件、支撑软件，编制解决用户各种实际问题的程序称为应用软件。开发应用软件是CAD工作者的一项重要工作。 （4）常用CAD软件：国内应用较广的微机CAD软件有：CAXA，金银花，开目Autodesk公司的 AutoCAD及MDT, Solidworks公司的 Solidworks， 美国CV公司的 CADDS软件的微机版本PD（Personal Designer）; MicroStation软件，Micro-CADAM软件，CADKEY软件，SolidEdge软件等。,工程工作站CAD/CAM系统软件有：美国SDRC公司开发的I-D
19、EAS（Integrated Engineering Analysis Software），IBM公司开发的CATIA（Computer-Graphics Aided Three-Dimensional Interactive Applications），法国Matra公司 EUCLID软件，美国EDS公司 UG II / UG NX2.0 软件，美国PTC公司 Pro/Engineer Wild Fire系统 。,1.2.2 CAD系统的类型按照CAD系统中采用的计算机类型、外围设备以及它们之间的联系方式，CAD系统可分为主机型CAD系统、工程工作站CAD系统、微机CAD系统和基于网络环境的
20、CAD系统。 CAD系统经历过三个阶段的发展，即许多用户共享一台计算机；一个用户用一台计算机；一个用户共享多台计算机。,（1） 工程工作站系统工程工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理功能的交互式计算机系统。这种系统的特点是：一个用户用一台计算机，并且具有联网功能。这也是它与具有分时系统的超级小型机的不同之处。SUN 、 SGI、 HP、 DEC和 IBM等大型计算机公司广泛采用工程工作站系统，因此工程工作站在国外CAD系统中占有主导地位。,（2）微机CAD系统是以一台微机为主的单用户系统。,微机CAD硬件系统,主机,操作系统,显示设备：图形显示器,输入设备,外存储器
21、,输出设备,通讯接口,微机的发展历程,（3）网络分布CAD系统应用计算机技术和通信技术，将分布于各地的各类计算机以网络形式连接起来进行产品的设计工作。,CAD网络示例,TCP/IP,Server,Client,文件 服务器,数据库 服务器,微机,工作站,.,1.2.3 计算机及其输入输出设备,CAD 硬件,计算机主机,图形输入设备,图形绘制设备,图形显示设备,扫描仪,数字化仪,数码相机,光栅扫描显示器,液晶显示器,打印机,绘图机,笔式绘图机,喷墨绘图机,CAD硬件设备,1. 微机组成与分类,按微机的设备组成，微机设备可分为内、外两部分：内部设备通常包括主板、CPU、内存储器、显示卡、电源、输入
22、输出接口等；其中输入输出接口又分为串行口和并行口，它们分别可以连接鼠标、打印机等外部设备；主板上通常有几个扩展槽，用来连接外部设备等。外部设备一般包括软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、键盘、鼠标、显示器、声卡、网卡、调制解调器等。,2. 计算机输入设备,图形输入设备可将用户的图形结果及各种命令等转换为电信号，并传送给计算机。（1） 物理设备键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板键盘 由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成。鼠标器 可以方便、准确地移动光标进行定位，它是窗口软件和绘图软件的首选输入设备。 数字化仪和图形输入板 矢量图形输入设备。语音输入与扫描输入,（2） 逻辑设备图形输入设备从逻
23、辑上分为6种功能，即定位（locator）、笔划（stroke）、数值（valuator）、选择（choice）、拾取（pick）及字符（string），也可称为6种逻辑设备。,图形输入设备的逻辑分类,名称,相应的典型设备,基本功能,定位,鼠标器、拇指轮,输入一个点的坐标,笔划,鼠标器、拇指轮,输入一系列点的坐标,数值,数字键盘,输入一个整数或实数,选择,功能键、鼠标器,由一个整数得到某种选择,拾取,光笔、鼠标器,拾取一个显示着的图素,字符串,字符键盘,输入一串字符,所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备，而不是具体的物理设备。一种逻辑设备对应于一种或一类特定的物理设备，而实际的图形输入设备又
24、往往是某些逻辑输入功能的组合。,3. 计算机图形输出设备,常用的图形输出设备可以分为两大类。一类是与图形输入设备相结合，构成具有交互功能的可以快速地生成、删除和修改图形的显示设备。另一类是在纸上或其他介质上输出可以永久性保存的图形的绘图设备。后者也称为硬拷贝设备。硬拷贝设备:1）打印机（Printer）按打印机的打印方式来分，目前常用的打印机有：点阵打印机、喷墨打印机与激光打印机。2）绘图仪（Plotter）根据在图纸上形成图形的不同原理，绘图仪分为喷墨、激光、静电和笔式绘图仪。喷墨和笔式绘图仪是目前常用的绘图设备。,习题1,1-1 什么是计算机辅助设计？它的主要作用是什么？ 1-2 CAD技术的主要应用领域有哪些？ 1-3 计算机工作方式经历了哪几种变化？相应构成了哪 几种类型的CAD系统？ 1-4 CAD系统的硬件主要有哪些？它们的作用是什么？,
